RU2306527C2 - Method for changing distance on basis of polarization properties of photon echo - Google Patents
Method for changing distance on basis of polarization properties of photon echo Download PDFInfo
- Publication number
- RU2306527C2 RU2306527C2 RU2005134334/28A RU2005134334A RU2306527C2 RU 2306527 C2 RU2306527 C2 RU 2306527C2 RU 2005134334/28 A RU2005134334/28 A RU 2005134334/28A RU 2005134334 A RU2005134334 A RU 2005134334A RU 2306527 C2 RU2306527 C2 RU 2306527C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- time interval
- angle
- pulses
- distance
- probe
- Prior art date
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расстояния между крупногабаритными объектами инженерных сооружений, например радиотелескопов и радиотехнических комплексов с антеннами различных форм и размеров, авиапромышленного и судостроительного оборудования, оптических трактов лазерных систем, линейных и кольцевых ускорителей.The invention relates to measuring technique and can be used to measure the distance between large-sized objects of engineering structures, for example, radio telescopes and radio engineering complexes with antennas of various shapes and sizes, aircraft and shipbuilding equipment, optical paths of laser systems, linear and ring accelerators.
Известен принцип импульсного метода измерения расстояний, основанный на определении времени пробега импульса от передатчика до отражателя и обратно, пропорционального двойному измеряемому расстоянию (Камен X. Электронные способы измерений в геодезии. М.: «Недра», 1982, с.104-105).The known principle of the pulsed method of measuring distances, based on the determination of the travel time of the pulse from the transmitter to the reflector and inversely proportional to the double measured distance (Kamen X. Electronic measurement methods in geodesy. M .: "Nedra", 1982, pp. 104-105).
Недостатком принципа является невысокая точность измерения расстояний вследствие применения электронного способа регистрации временного интервала между опорным и зондирующим импульсами.The disadvantage of the principle is the low accuracy of measuring distances due to the use of an electronic method of recording the time interval between the reference and probing pulses.
Известно устройство, являющееся примером реализации способа регистрации расстояния на основе изменения направления вектора линейной поляризации света под воздействием внешнего модулирующего СВЧ-поля (Гюнашян К.С., Папаян В.К. и др. Высокоточный электрооптический дальномер ДВСД-1200. - Геодезия и картография, 1973, №9, с.14-18).A device is known that is an example of the implementation of a method for recording distances based on a change in the direction of the linear linear polarization of light under the influence of an external modulating microwave field (Gyunashyan KS, Papayan VK, etc. High-precision electro-optical range finder DVSD-1200. - Geodesy and cartography , 1973, No. 9, p. 14-18).
Недостатком способа является низкое быстродействие и невозможность определения числа целых длин волн СВЧ-модуляции, укладывающихся в измеряемом расстоянии, а регистрация лишь домера (часть длины волны СВЧ-модуляции процесса вращения поляризации света, соответствующая последнему незавершенному периоду модуляции) участка измеряемого расстояния, соответствующего не целому значению длины волны СВЧ-модуляции.The disadvantage of this method is the low speed and the inability to determine the number of integer wavelengths of microwave modulation that fit within the measured distance, and registration is only the Domer (part of the wavelength of microwave modulation of the process of rotation of the polarization of light, corresponding to the last incomplete period of modulation) of the portion of the measured distance that does not correspond microwave wavelength value.
Задачей настоящего изобретения является повышение скорости и точности измерения расстояния. Это обеспечивается путем использования поляризационных свойств сигнала первичного или стимулированного фотонного эха (ФЭ), основанных на эффекте нефарадеевского поворота его вектора поляризации [И.В.Евсеев, В.М.Ермаченко, В.В.Самарцев. Деполяризующие столкновения в нелинейной электродинамике. - М.: Наука, 1992. С.28-39, 75-78]. Измерение расстояния на основе поляризационных свойств ФЭ (фотонного эха) заключается в том, что направляется опорный лазерный импульс и зондирующий лазерный импульс, прошедший через измеряемое расстояние, в резонансную среду, в которой формируется сигнал ФЭ под воздействием на нее последовательности опорного и зондирующего лазерных импульсов. Затем определяют угол поворота вектора поляризации ФЭ, возникающей при воздействии на резонансную среду продольного магнитного поля. Этот угол зависит от временного интервала между возбуждающими опорным и зондирующим импульсами, от напряженности приложенного магнитного поля, от типа задействованного квантового перехода и не зависит от длины пути, проходимого в резонансной среде возбуждающими лазерными импульсами и сигналом ФЭ. При этом резонансная среда обладает оптической фазовой памятью, содержащей информацию о величине угла поворота вектора поляризации ФЭ и, соответственно, об определяемом временном интервале между опорным и возбуждающим импульсами. По величине этого регистрируемого угла определяют временной интервал, разделяющий опорный и зондирующий импульсы. Далее производят пересчет временного интервала в величину измеряемого расстояния.The present invention is to increase the speed and accuracy of distance measurement. This is ensured by using the polarization properties of the signal of the primary or stimulated photon echo (PE), based on the effect of the non-Faraday rotation of its polarization vector [I.V. Evseev, V.M. Ermachenko, V.V. Samartsev. Depolarizing collisions in nonlinear electrodynamics. - M .: Nauka, 1992. S. 28-39, 75-78]. The measurement of the distance based on the polarization properties of the FE (photon echo) consists in directing the reference laser pulse and the probe laser pulse, which passed through the measured distance, into the resonance medium in which the PE signal is generated under the influence of a sequence of reference and probe laser pulses. Then determine the angle of rotation of the polarization vector of the PV arising from the action of a longitudinal magnetic field on the resonant medium. This angle depends on the time interval between the exciting reference and probe pulses, on the strength of the applied magnetic field, on the type of quantum transition involved, and does not depend on the path length traveled in the resonant medium by the exciting laser pulses and the PV signal. In this case, the resonant medium has an optical phase memory containing information on the angle of rotation of the polarization vector of the PV and, accordingly, on the determined time interval between the reference and exciting pulses. The magnitude of this recorded angle determines the time interval separating the reference and probe pulses. Next, recalculate the time interval in the size of the measured distance.
Имеющийся при этом фарадеевский поворот вектора поляризации оптических импульсов на 3-4 порядка меньше нефарадеевского поворота вектора поляризации эхо-сигнала. Чувствительность регистратора не позволяет зарегистрировать фарадеевский поворот вектора поляризации оптических импульсов, но обеспечивает регистрацию нефарадеевского поворота вектора поляризации сигнала ФЭ.The existing Faraday rotation of the polarization vector of optical pulses is 3-4 orders of magnitude smaller than the non-Faraday rotation of the polarization vector of the echo signal. The sensitivity of the recorder does not allow to register the Faraday rotation of the polarization vector of optical pulses, but provides registration of the non-Faraday rotation of the polarization vector of the PV signal.
Предлагаемый способ измерения расстояний на основе нефарадеевского поворота вектора поляризации ФЭ поясняется чертежом, на котором изображена схема измерения дистанции между объектами 1 и 2. Имеется источник последовательности разнесенных во времени лазерных импульсов 1 с задаваемыми интенсивностями и временными параметрами (длительностями опорного и зондирующего импульсов и временного интервала между ними), поляризационная призма Глана 2, призма Корню 18, уголковый отражатель 7 на опоре, устанавливаемой на объекте 2, поворотное зеркало 17, кювета с резонансной средой 15, установленная внутри соленоида 4, диафрагмы 9, 19, 20, выходная поляризационная призма Глана 8, служащая для разложения эхо-сигнала на две компоненты с ортогонально ориентированными направлениями векторов линейной поляризации, первый и второй каналы регистрации составляющих компонент эхо-сигнала, состоящих из фоторегистраторов 10, 11 и преобразователей 12, 13, процессора 14.The proposed method for measuring distances based on the non-Faraday rotation of the PV polarization vector is illustrated in the drawing, which shows a diagram for measuring the distance between objects 1 and 2. There is a source of a sequence of laser pulses 1 spaced in time with specified intensities and time parameters (durations of the reference and probe pulses and the time interval between them), a Glan polarization prism 2, a Cornu prism 18, an angular reflector 7 on a support mounted on object 2, a swivel mirror 17, a cuvette with a resonant medium 15, mounted inside the solenoid 4, diaphragms 9, 19, 20, the output polarizing prism of Glan 8, used to decompose the echo signal into two components with orthogonally oriented directions of linear polarization vectors, the first and second channels of recording component components an echo signal consisting of photorecorders 10, 11 and converters 12, 13, processor 14.
Измерение расстояния производится следующим образом. Источник лазерных импульсов 1 вырабатывает импульс света, который поступает на поляризационную призму Глана 2, при этом часть излучения (опорный лазерный импульс 6) с вертикальным направлением вектора поляризации проходит в прямом направлении через кювету 15 с резонансной средой, находящуюся в продольном магнитном поле соленоида 4, создаваемом током от программноуправляемого источника тока 3, а другая часть (зондирующий лазерный импульс 5) поступает на поворотное зеркало 17 и, отразившись от него, выходит через диафрагму 19 на измеряемую дистанцию, отражается от уголкового отражателя 7 и, пройдя измеряемую дистанцию в обратном направлении, через диафрагму 20 поступает в кювету 15 под углом α к направлению распространения в кювете опорного импульса. Диафрагмы 19 и 20 обеспечивают попадание зондирующего импульса в центры рабочих плоскостей уголкового отражателя 7, что достигается поворотом оптического эхо-дальномера (ОЭД) относительно оси его крепления на основании и относительно уголкового отражателя до совпадения центра пришедшего с дистанции зондирующего импульса с центром диафрагмы 20. Под воздействием опорного и зондирующего импульсов в резонансной среде формируется сигнал ФЭ, распространяющийся под углом α к направлению распространения зондирующего импульса и под углом 2α к направлению распространения опорного импульса. При этом сигнал ФЭ под воздействием продольного однородного магнитного поля испытывает поворот вектора поляризации на угол φ и после прохождения диафрагмы 9, которая не пропускает возбуждающие импульсы, проходя выходную поляризационную призму Глана 8, разлагается на две составляющие с ортогонально ориентированными направлениями векторов линейной поляризации (вертикальным и горизонтальным направлениями векторов линейной поляризации). Каждая из компонент эхо-сигнала регистрируется фоторегистраторами 10 и 11, сигналы с которых поступают на соответствующие преобразователи информации 12 и 13, а затем подаются на два входа процессора 14. В процессоре по соотношению цифровых кодов, соответствующих интенсивностям компонент эхо-сигнала, определяется уголThe distance measurement is as follows. The laser pulse source 1 generates a light pulse, which arrives at the Glan polarization prism 2, while part of the radiation (reference laser pulse 6) with the vertical direction of the polarization vector passes in the forward direction through the cell 15 with the resonant medium located in the longitudinal magnetic field of the solenoid 4, created by current from a program-controlled current source 3, and the other part (probing laser pulse 5) enters the rotary mirror 17 and, reflected from it, goes through the diaphragm 19 to the measured dist It is reflected from the corner reflector 7 and, having passed the measured distance in the opposite direction, through the diaphragm 20 enters the cell 15 at an angle α to the propagation direction in the cell of the reference pulse. The diaphragms 19 and 20 ensure that the probe pulse enters the centers of the working planes of the corner reflector 7, which is achieved by rotating the optical echo-range finder (OED) relative to the axis of its mounting on the base and relative to the corner reflector until the center of the probe pulse arriving from the distance coincides with the center of the diaphragm 20. Under by the action of the reference and probing pulses in the resonant medium, a FE signal is formed, propagating at an angle α to the direction of propagation of the probe pulse and at an angle 2α to n Distribution board reference pulse. In this case, the FE signal under the influence of a longitudinal uniform magnetic field experiences a rotation of the polarization vector by an angle φ and after passing through the diaphragm 9, which does not pass exciting pulses, passing the output polarizing prism of Glan 8, decomposes into two components with orthogonally oriented directions of linear polarization vectors (vertical and horizontal directions of linear polarization vectors). Each of the components of the echo signal is recorded by the photo recorders 10 and 11, the signals from which are fed to the corresponding information converters 12 and 13, and then fed to the two inputs of the processor 14. In the processor, the angle is determined from the ratio of digital codes corresponding to the intensities of the echo signal
где Iэ(х) - составляющая эхо-сигнала с горизонтальным направлением вектора поляризации, k - поправочный коэффициент, показывающий, во сколько раз отличаются показания измеряемой величины в первом канале по отношению к показаниям во втором каналеwhere I e (x) is the component of the echo signal with the horizontal direction of the polarization vector, k is the correction factor, showing how many times the readings of the measured value in the first channel differ in relation to the readings in the second channel
где kФЭУ1 - коэффициент усиления фоторегистратора 10 (фотоэлектронного умножителя) в первом канале, kФЭУ2 - коэффициент усиления фоторегистратора 11 (фотоэлектронного умножителя) во втором канале. Зависимость интенсивности сигнала ФЭ от угла α между возбуждающими импульсами не влияет на величину ***, т.к. коэффициент экспоненциального затухания ФЭ с ростом угла α одинаково влияет на величины, находящиеся в числителе и знаменателе формулы (1). Затем из известного в научной литературе [Алексеев А.И., Евсеев И.В. Фотон-эхо в газе при наличии магнитного поля. - ЖЭТФ. - 1969. - Т.57. - №11. - С.1735-1744] выраженияwhere k PMT1 is the gain of the photorecorder 10 (photoelectronic multiplier) in the first channel, k PMT2 is the gain of the photorecorder 10 (photoelectric multiplier) in the second channel. The dependence of the intensity of the PV signal on the angle α between the exciting pulses does not affect the value of ***, because the coefficient of exponential decay of the FE with increasing angle α equally affects the values found in the numerator and denominator of formula (1). Then from the well-known in the scientific literature [Alekseev A.I., Evseev I.V. Photon echo in a gas in the presence of a magnetic field. - JETP. - 1969. - T.57. - No. 11. - S.1735-1744] expressions
где εa,b=μ0ga,bH, μ0 - ядерный магнетон, Н - напряженность продольного магнитного поля, ga,b - гиромагнитное отношение основного а и возбужденного b уровней соответственно, определяется временной интервал между опорным и зондирующим импульсамиWhere ε a, b = μ 0 g a, b H, μ 0 is the nuclear magneton, H is the longitudinal magnetic field strength, g a, b are the gyromagnetic ratios of the main a and excited b levels, respectively, the time interval between the reference and probe pulses is determined
Далее временной интервал τ12 с учетом показателя преломления света n в среде распространения зондирующего импульса, определяемого путем измерения температуры, влажности и давления на измеряемом расстоянии, пересчитывается в величину проходимого им расстояния за вычетом расстояния между призмой Глана 2 точкой формирования ФЭ:Next, the time interval τ 12 , taking into account the refractive index of light n in the propagation medium of the probe pulse, determined by measuring temperature, humidity and pressure at the measured distance, is converted into the distance traveled by it minus the distance between the Glan prism 2 of the PV formation point:
где с - скорость света.where c is the speed of light.
Величина измеряемой дистанции будет равна разности всего пути, проходимого зондирующим импульсом, и пути, проходимого им внутри ОЭД (ΔS):The value of the measured distance will be equal to the difference of the entire path traveled by the probe pulse and the path traveled by it inside the OED (ΔS):
где ΔS - инструментальная поправка ОЭД.where ΔS is the instrumental correction of the OED.
На инструментальную поправку AS ОЭД влияют 3 фактора: разность длины пути, проходимого опорным импульсом от призмы Глана 2 до резонансной среды, и длины пути, проходимого зондирующим импульсом от входа ОЭД (от диафрагмы 20) до резонансной среды; длина пути зондирующего импульса на участке между призмой Глана 2 и диафрагмой 19; расстояние между центрами рабочих поверхностей уголкового отражателя. При этом нулевая метка ОЭД находится на плоскости расположения диафрагм 19 и 20. Инструментальная поправка определяется экспериментальным путем во время метрологической поверки ОЭД.Three factors affect the instrumental correction AS OED: the difference in the path length traveled by the reference pulse from the Glan prism 2 to the resonant medium and the path length traveled by the probe pulse from the OED input (from diaphragm 20) to the resonant medium; the path length of the probe pulse in the area between the Glan prism 2 and the diaphragm 19; the distance between the centers of the working surfaces of the corner reflector. In this case, the zero mark of the OED is located on the plane of the diaphragms 19 and 20. The instrumental correction is determined experimentally during the metrological verification of the OED.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005134334/28A RU2306527C2 (en) | 2005-11-07 | 2005-11-07 | Method for changing distance on basis of polarization properties of photon echo |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005134334/28A RU2306527C2 (en) | 2005-11-07 | 2005-11-07 | Method for changing distance on basis of polarization properties of photon echo |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005134334A RU2005134334A (en) | 2007-05-20 |
RU2306527C2 true RU2306527C2 (en) | 2007-09-20 |
Family
ID=38163745
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005134334/28A RU2306527C2 (en) | 2005-11-07 | 2005-11-07 | Method for changing distance on basis of polarization properties of photon echo |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2306527C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104833980A (en) * | 2015-05-20 | 2015-08-12 | 天津理工大学 | Laser radar ranging device and laser radar ranging method |
-
2005
- 2005-11-07 RU RU2005134334/28A patent/RU2306527C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104833980A (en) * | 2015-05-20 | 2015-08-12 | 天津理工大学 | Laser radar ranging device and laser radar ranging method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005134334A (en) | 2007-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Artusio-Glimpse et al. | Modern RF measurements with hot atoms: A technology review of Rydberg atom-based radio frequency field sensors | |
CN108717168B (en) | Scalar magnetic field gradient measuring device and method based on light field amplitude modulation | |
CN104155619B (en) | Based on magnetostriction distribution probe beam deflation magnetic field sensing device and demodulation method | |
CN108534686B (en) | Zero-drift-free heterodyne laser Doppler measurement optical fiber light path and measurement method | |
CN108519565A (en) | Low field strength analyzer based on the weak measurement of quantum and method | |
CN107764388B (en) | High-precision seawater sound velocity measurement method based on acousto-optic effect | |
CN108459040B (en) | Differential detection method of magnetic suspension accelerometer based on diamond NV color center | |
CN109539975A (en) | Single frequency laser interferometer nonlinearity erron modification method and device | |
CN113721173A (en) | Optical fiber SERF atomic magnetometer device based on reflection type bidirectional pumping | |
CN103075966A (en) | Displacement measuring system | |
US3424531A (en) | Distance measuring instrument using a pair of modulated light waves | |
CN113567351B (en) | Complex magneto-optical angle measuring system and method based on quantum weak measurement | |
CN102494798A (en) | Optical fiber temperature sensor used for measuring multipoint temperature in real time | |
RU2306527C2 (en) | Method for changing distance on basis of polarization properties of photon echo | |
CN115824061B (en) | Grating displacement measuring device and method based on Littrow diffraction | |
Zhang et al. | Influence of water on underwater distance measurement by a laser range finder | |
CN110702090B (en) | High-precision lock-zone-free laser gyro device and method | |
CN111398177B (en) | Photoacoustic spectrum detection chip sensor and manufacturing method thereof | |
CN111637833B (en) | Angle measuring system and method based on electromagnetic induction transparent effect of rydberg atoms | |
CN101561317B (en) | System for measuring the influence of object to polarization state of transmitted beams with high precision and automation | |
Matsumoto et al. | High-precision long-distance measurement using a frequency comb of a femtosecond mode-locked laser | |
RU160760U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING LIGHT ABSORPTION FACTOR IN MIRRORS OF A RING RESONATOR | |
RU2228517C2 (en) | Femtosecond laser range finder | |
JPS5866881A (en) | Surveying equipment by light wave | |
RU2698699C1 (en) | Method of reproducing a unit of length in laser range finders based on a michelson interferometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081108 |